Al6063管件漸進(jìn)成形壁厚減薄率研究

摘 要：基于正交試驗(yàn)法定量分析某種管件單點(diǎn)漸進(jìn)成形機(jī)對(duì)Al6063鋁合金管件的塑性成形工藝；通過有限元軟件ABAQUS仿真，探究各工藝參數(shù)對(duì)Al6063管件成形后最大減薄率的影響規(guī)律，找到最佳工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明：各工藝參數(shù)影響順序由大到小依次為徑向進(jìn)給距離、工具頭半徑、軸向進(jìn)給距離、摩擦因數(shù)。在半徑60 mm、壁厚1 mm的管件尺寸下，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為工具頭半徑6 mm、徑向進(jìn)給量0.5 mm、軸向進(jìn)給量1.5 mm、摩擦因數(shù)0.100。最優(yōu)工藝參數(shù)組合會(huì)隨著管件尺寸的改變發(fā)生小幅變化。

關(guān)鍵詞：管件加工；漸進(jìn)成形；有限元分析；正交試驗(yàn)；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TG376.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0088-06

Research on Wall Thickness Reduction Rate of Al6063 Tube Progressive Forming

Abstract：Based on the orthogonal test method， the plastic forming of Al6063 aluminum alloy pipe fittings by a single point progressive forming machine for pipe fittings was quantitatively analyzed. Through the finite element software ABAQUS simulation， the influence of various process parameters on the maximum thinning rate of Al6063 pipe fittings after forming was explored， and the best combination of process parameters was found. The results show that the order of influence of the process parameters from the largest to the smallest is radial feed distance， tool head radius， axial feed distance and friction coefficient. With the pipe size of 60 mm radius and 1 mm wall thickness， the optimal combination of process parameters is tool head radius of 6 mm， radial feed distance of 0.5 mm， axial feed distance of 1.5 mm， and friction coefficient of 0.100. The optimal combination of process parameters will change slightly with the change of pipe size.

Keywords：pipe fitting processing; progressive forming; finite element analysis; orthogonal test; process optimization

0 引言

管類零件強(qiáng)度和剛度高，外形對(duì)稱美觀，節(jié)省材料，其成形加工性好，廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛工程、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前，管類零件傳統(tǒng)的加工方法一般都需要開發(fā)許多模具，生產(chǎn)繁瑣，周期長(zhǎng)，無法完全適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代。漸進(jìn)成形是一種無模、塑性成形制造工藝，其引入了快速原型制造中的“分層制造思想”［1］，將零件沿高度方向切分為多層二維平面，將三維零件的加工轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)二維形狀的疊加，分層制造每個(gè)二維平面應(yīng)有的形狀。這種加工方式生產(chǎn)周期短，加工成本低，符合當(dāng)下綠色成本制造理念，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化、多樣化、復(fù)雜化的需求。管材漸進(jìn)成形是通過工具頭擠壓使管壁塑性成形的方法，其具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)輕量化的特點(diǎn)。然而，在管材的塑性加工中，如果處理不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)許多缺陷。管材塑性加工的主要缺陷如下：管壁過度減薄導(dǎo)致破裂，管壁出現(xiàn)波紋現(xiàn)象、形狀畸變、尺寸偏差。為了消除或減少上述質(zhì)量缺陷，滿足管件的使用要求，選擇合適的工藝方法和采取必要的工藝措施是非常重要的，各國(guó)學(xué)者對(duì)此展開了研究。

日本學(xué)者在管材漸進(jìn)成形技術(shù)方面的研究較為超前，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，早在21世紀(jì)初，日本學(xué)者YOSHIHARA等［2］就通過仿真模擬鎂合金試樣管的旋轉(zhuǎn)漸進(jìn)成形，對(duì)漸進(jìn)成形在管件中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在對(duì)零件采用漸進(jìn)成形方式加工時(shí)，加工工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響最為顯著。郝用興、蘇春建等［3-4］以各種金屬材料的板件結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，結(jié)合有限元仿真分析法，模擬各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)成形Mises應(yīng)力等的影響規(guī)律，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。不同的加工路徑對(duì)成形精度有著不同的影響。劉炫、KWIATKOWSKI 等［5-6］以有限元法模擬仿真數(shù)種不同刀具成形路徑，分析各種路徑對(duì)工件厚度分布和減薄率的影響并以試驗(yàn)法驗(yàn)證最優(yōu)刀具路徑成形，結(jié)果與仿真基本相似。由于成形后零件的應(yīng)力加大，成形后的回彈問題也是研究漸進(jìn)成形必須考慮的問題。ANCELLOTTI等［7］利用ABAQUS有限元仿真，以成形角變化率和回彈角度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究了工藝參數(shù)、加工道次對(duì)成型件厚度分布、輪廓尺寸精度以及回彈率的影響規(guī)律。

與平面漸進(jìn)成形相比，漸進(jìn)成形在管類零件上的應(yīng)用雖然有許多相似之處，但由于管件空心截面的特點(diǎn)，相對(duì)難以加工，對(duì)工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)都有著更高的要求。本文通過ABAQUS有限元仿真軟件，以所設(shè)計(jì)的一種管類零件漸進(jìn)加工機(jī)［8］加工的Al6063鋁合金管件為研究對(duì)象，探究工具頭半徑、工具頭軸向進(jìn)給量、徑向進(jìn)給量等對(duì)成形管件壁厚減薄率的影響規(guī)律，對(duì)后期改進(jìn)管類零件漸進(jìn)成形機(jī)以及最優(yōu)化參數(shù)組合提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 成形過程及其原理

管件單點(diǎn)漸進(jìn)成形過程原理如圖1所示，主要零件包括管材、工具頭、左夾具、右夾具。其中，左夾具、右夾具用來固定管件，保證管件在成形時(shí)不發(fā)生位移。工具頭在與管件內(nèi)壁接觸時(shí)沿著管件徑向進(jìn)給擠壓內(nèi)壁，使管壁局部形變，徑向進(jìn)給量為Y，工具頭半徑為R。徑向擠壓完成后工具頭沿著管件周向旋轉(zhuǎn)360°，使管壁整個(gè)圓周形變。而后使工具頭軸向移動(dòng)至下一個(gè)加工位置，再一次徑向進(jìn)給擠壓內(nèi)壁，軸向進(jìn)給量為Z。循環(huán)數(shù)次，直至管件被加工成目標(biāo)形狀，整個(gè)加工過程模擬圖如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到影響管壁減薄率的因素有工具頭半徑、徑向進(jìn)給量、軸向進(jìn)給量、摩擦因數(shù)，設(shè)計(jì)四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，如表1所示。工具頭半徑在4.0～6.0 mm之間；徑向進(jìn)給量在0.5～2.5 mm之間；軸向進(jìn)給量在1.5～3.5 mm之間；摩擦因數(shù)在0.100～0.200之間。

選擇成形制件的最大減薄率ψmax作為正交試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中：t0為成型件壁厚，mm；tmin為成型后最小壁厚，mm。

管件成形前后壁厚示意圖如圖3所示，在后文仿真模擬數(shù)據(jù)中壁厚以STH代表，單位為mm。

以極差分析法處理正交實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果并得到模擬最優(yōu)參數(shù)組合，同時(shí)通過物理試驗(yàn)校核并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。物理試驗(yàn)裝置為所設(shè)計(jì)制作的管件漸進(jìn)成形機(jī)，通過PLC控制三軸運(yùn)動(dòng)（分別控制進(jìn)給機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、位移機(jī)構(gòu)）對(duì)管件施加作用力與力矩，從而完成零件加工。

1.3 有限元仿真模型

管件漸進(jìn)成形數(shù)值模擬在ABAQUS軟件中進(jìn)行，本文的研究對(duì)象為外接圓直徑120 mm、長(zhǎng)度200 mm、壁厚1 mm的Al6063鋁合金管形件。在ABAQUS有限元仿真中，設(shè)置管形件的網(wǎng)格為S4R四邊形單元，尺寸為1.5 mm，將成形管件定位殼體單元，工具頭設(shè)置為剛體，采用R3D4網(wǎng)格單元對(duì)其進(jìn)行劃分。

成形模擬過程中，主要成形步驟分為三步：1）成形工具頭在管件內(nèi)部對(duì)其施加成形作用力，使管件產(chǎn)生局部擴(kuò)徑；2）成形工具頭施加周向力矩，使管件產(chǎn)生周向擴(kuò)徑；3）成形工具頭回縮后沿管件軸向方向移動(dòng)至下一個(gè)工作位。三步為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)數(shù)次后完成指定要求。整個(gè)成形過程管件均由夾具夾持，所以要限制所有自由度。管件材料為Al6063鋁合金，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33。

切取小段Al6063鋁合金管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)，如表2所示，將此應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)設(shè)定為材料的塑性屬性。

2 結(jié)果與討論

2.1 成形工具頭半徑對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響

在管件漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中，分別使用4.0 mm、4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm、6.0 mm半徑的成形工具頭對(duì)管件進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)成形，將其他工藝參數(shù)設(shè)置為定值（徑向進(jìn)給量為1.5 mm、軸向進(jìn)給量為2.5 mm、摩擦因數(shù)為0.200），分析加工工具頭半徑的不同對(duì)管件漸進(jìn)成型區(qū)減薄率的影響。不同工具頭半徑下的管件壁厚模擬云圖如圖4所示。圖中STH為當(dāng)前位置壁厚，將最小壁厚代入式（1）可得（后不贅述）：當(dāng)工具頭半徑為4.0 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為16%；當(dāng)工具頭半徑為6.0 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為13.81%。

2.2 徑向進(jìn)給量對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響

在管件漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中，分別采用0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm的徑向進(jìn)給量對(duì)管件進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)成形，將其他參數(shù)設(shè)置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、軸向進(jìn)給量為2.5 mm、摩擦因數(shù)為0.200），分析徑向進(jìn)給量對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響。不同徑向進(jìn)給量下的管件壁厚模擬云圖如圖5所示。由圖可知，當(dāng)徑向進(jìn)給量為0.5 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為8.54%；當(dāng)徑向進(jìn)給量為2.5 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為21.98%。

2.3 軸向進(jìn)給量對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響

在管件漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中，分別采用1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm的軸向進(jìn)給量使工具頭沿管件軸向方向進(jìn)給距離對(duì)管件進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)成形，并將其他參數(shù)設(shè)置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、徑向進(jìn)給量為1.5 mm、摩擦因數(shù)為0.200），分析軸向進(jìn)給量對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響。不同軸向進(jìn)給量下的管件壁厚模擬云圖如圖6所示。由圖可知，當(dāng)軸向進(jìn)給量為1.5 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為15.72%；當(dāng)軸向進(jìn)給量為3.5 mm時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為14.34%；在等加工次數(shù)的情況下，軸向進(jìn)給量越大，管件成型區(qū)范圍越大。

2.4 摩擦因數(shù)對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響

在管件漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中，分別使用0.100、0.125、0.150、0.175、0.200的摩擦因數(shù)對(duì)管件進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)成形，將其他參數(shù)設(shè)置為定值（工具頭半徑為5.0 mm、軸向進(jìn)給量為2.5 mm、徑向進(jìn)給量為1.5 mm），分析摩擦因數(shù)對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響。不同摩擦因數(shù)下的管件壁厚模擬云圖如圖7所示。由圖可知，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.100時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為15.03%；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.200時(shí)，管件成型區(qū)最大減薄率為15.08%。

2.5 各工藝參數(shù)模擬對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響分析

將各不同工藝參數(shù)下成形管件的最大減薄率云圖繪制曲線圖，如圖8所示。圖8（a）所示為不同工具頭半徑下管壁最大減薄率曲線。隨著工具頭半徑的增大，管件成型區(qū)最大減薄率逐漸減小，管件成型區(qū)最大減薄率與工具頭半徑成反比。這是因?yàn)殡S著工具頭半徑的增大，管件成形時(shí)工具頭與管件內(nèi)壁接觸面積增大，接觸瞬時(shí)應(yīng)變減小，減薄率隨之降低。圖8（b）所示為不同徑向進(jìn)給量下管壁最大減薄率曲線。隨著徑向進(jìn)給量的增大，管件成型區(qū)最大減薄率線性增加，管件成型區(qū)最大減薄率與徑向進(jìn)給量成正比。徑向進(jìn)給量越大，管壁成型區(qū)局部形變?cè)酱?，?dǎo)致管壁厚度不均勻性增加，從而成型區(qū)減薄率增大。圖8（c）所示為不同軸向進(jìn)給量下管壁最大減薄率曲線。隨著軸向進(jìn)給量的增大，管壁最大減薄率逐漸減小，管件成型區(qū)最大減薄率與軸向進(jìn)給量成反比。這是由于軸向進(jìn)給量增大時(shí)，工具頭軸向加工重疊區(qū)域減小，從而導(dǎo)致管壁減薄率減小。同時(shí)，過大的軸向進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致加工重疊區(qū)域縮減過大，部分管壁沒有被完全加工，使管壁出現(xiàn)波紋現(xiàn)象。圖8（d）所示為不同摩擦因數(shù)下管壁最大減薄率曲線。隨著摩擦因數(shù)由0.100增大至0.200，管壁最大減薄率圍繞15%附近波動(dòng)，說明該范圍內(nèi)摩擦因數(shù)過小，改變摩擦因數(shù)幾乎不影響管壁減薄率。

工件尺寸的變化對(duì)成型區(qū)最大減薄率也有影響，這是因?yàn)樵诟鞴に噮?shù)保持不變的情況下，工件尺寸增大相當(dāng)于工具頭半徑減小，而工具頭半徑減小會(huì)導(dǎo)致減薄率增大。所以工件尺寸與管件成型區(qū)最大減薄率成正比。

2.6 正交實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)因子對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

2.7 極差分析

采用極差分析法對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析結(jié)果如表4所示。極差反映值的變化范圍，極差越大表示該因素對(duì)結(jié)果的影響越大。因此，極差最大因素即為影響管壁減薄率最主要的因素［9］。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，對(duì)管件漸進(jìn)成形最大減薄率影響最大的因素為B因素，即工具頭徑向進(jìn)給量。因素A和因素C（工具頭半徑和軸向進(jìn)給量）對(duì)管件漸進(jìn)成形最大減薄率影響較小，因素D（摩擦因數(shù)）在0.100～0.200之間時(shí)，對(duì)管件漸進(jìn)成形最大減薄率幾乎無影響。各工藝參數(shù)對(duì)管件漸進(jìn)成形最大減薄率影響順序依次為：B、A、C、D。此外，由極差分析法得到一組最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案A3B1C3D1。

2.8 物理試驗(yàn)

以表3為試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行9組物理試驗(yàn)。由于物理試驗(yàn)中摩擦因數(shù)是很難動(dòng)態(tài)固定的，而摩擦因數(shù)對(duì)管件漸進(jìn)成形的影響十分微小，故物理實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)一使用乳化潤(rùn)滑劑，使各對(duì)照組的摩擦因數(shù)趨于相同。加工完成后選取成型區(qū)最后一圈的8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壁厚測(cè)量，取其中最小值帶入式（1），得出的數(shù)據(jù)記為該組最大減薄率，各試驗(yàn)組最大減薄率如表5所示。

在9組試驗(yàn)對(duì)照組中，第5組與第9組試驗(yàn)如圖9所示。如圖9（a）所示，第5組出現(xiàn)局部過大變形，使管件出現(xiàn)偏心問題，嚴(yán)重影響成形質(zhì)量，這驗(yàn)證了徑向距離過大會(huì)導(dǎo)致管件壁厚不均勻性增加這一結(jié)論。如圖9（b）所示，第9組出現(xiàn)明顯波紋現(xiàn)象，說明過大軸向進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致成形管件出現(xiàn)軸向加工不良現(xiàn)象。

結(jié)合上述物理試驗(yàn)以及極差分析法，將C因素從水平3降至水平2，即適當(dāng)減小軸向進(jìn)給量，得到最優(yōu)方案A3B1C2D1，即工具頭半徑為6.0 mm，徑向進(jìn)給量為0.5 mm，軸向進(jìn)給量為1.5 mm，摩擦因數(shù)為0.100，將其設(shè)為第10組。

將最優(yōu)方案組（第10組）試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比，如圖10所示，得到成形管件的減薄率偏差值如表6所示。由表6可知模擬實(shí)驗(yàn)與物理試驗(yàn)的誤差均小于3%，證明仿真與正交實(shí)驗(yàn)具有較高準(zhǔn)確性與真實(shí)性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以Al6063鋁合金管件為研究對(duì)象，通過ABAQUS建立單點(diǎn)漸進(jìn)成形有限元仿真模型，分析了控制單一變量工具頭半徑、徑向與軸向進(jìn)給量以及摩擦因數(shù)對(duì)管件成型區(qū)最大減薄率的影響，同時(shí)通過正交試驗(yàn)得到最佳工藝參數(shù)組合，通過物理試驗(yàn)優(yōu)化了最佳工藝組合，驗(yàn)證了結(jié)果數(shù)據(jù)的真實(shí)性，結(jié)論如下。

1）管件漸進(jìn)成形過程中，成型區(qū)最大減薄率與工具頭半徑和軸向進(jìn)給量成反比；與徑向進(jìn)給量成正比；摩擦因數(shù)在0.100～0.200之間對(duì)成型區(qū)最大減薄率幾乎沒有影響。

2）管件漸進(jìn)成形過程中，對(duì)成型區(qū)最大減薄率影響順序由大到小依次為：徑向進(jìn)給量、工具頭半徑、軸向進(jìn)給量、摩擦因數(shù)。

3）半徑60mm、壁厚1mm的管件尺寸的最優(yōu)工藝參數(shù)組合：工具頭半徑為6.0 mm，徑向進(jìn)給量為0.5 mm，軸向進(jìn)給量為1.5 mm，摩擦因數(shù)為0.100。由此工藝參數(shù)組合制成管件成型區(qū)最大減薄率為6.486%。隨著管件尺寸的變化最優(yōu)工藝參數(shù)組合會(huì)發(fā)生小幅變化。

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